專(zhuān)利名稱(chēng)：層系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有至少一個(gè)金屬氧化物層的層系，該金屬氧化物包含氧化鈦鋁。層系具有高的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，特別是在超過(guò)600℃的工作溫度下，并且尤其適合于光學(xué)涂層，但并不局限于該特定應(yīng)用。
背景技術(shù)：
光學(xué)層系，特別是由相互緊貼的具有高和低折射率的交替薄膜組成的交替層系，已因廣泛應(yīng)用而知名多年。它們充當(dāng)光干涉膜，其光學(xué)性質(zhì)由具有高和/或低折射率的層的材料的選擇因此相應(yīng)折射率的選擇、各個(gè)層的排列，以及各個(gè)層厚度的選擇來(lái)決定。選擇基本上是根據(jù)期望的光學(xué)性質(zhì)和工藝性能的標(biāo)準(zhǔn)，基于已知的光學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)工具。
用于制作例如反射器、鏡面、濾波器、燈、IRC噴燈/燈等的該類(lèi)型涂層的合適起始材料的例子其中包括TiO2和SiO2。
這些材料的薄膜通常通過(guò)CVD工藝(CVD＝化學(xué)汽相沉積)、PVD工藝(PVD＝物理汽相沉積)或溶膠凝膠工藝來(lái)涂敷，并以它們是硬的和化學(xué)上穩(wěn)定的以及具有高的折射率差的事實(shí)而著名。
關(guān)于對(duì)于高溫的穩(wěn)定性，氧化硅應(yīng)該幾乎沒(méi)有問(wèn)題。但是，如果氧化鈦用作具有高折射率的層材料，則問(wèn)題在高的工作溫度(＞600℃)下出現(xiàn)，該高溫可能在例如玻璃陶瓷反射器或IRC燈中達(dá)到。氧化鈦在這些高溫下改變。如由H.Sankur和W.Guning在J.Appl.Phys.66(1989)中廣泛描述的，這特別地可歸因于在非晶態(tài)下涂敷的TiO2的相變。在超過(guò)350℃的溫度下，TiO2結(jié)晶以形成銳鈦礦相，然后在大約600℃的溫度下形成金紅石相。這在涂層中產(chǎn)生混濁，并且已通過(guò)特殊光學(xué)設(shè)計(jì)而優(yōu)化的其光學(xué)性質(zhì)退化。
DE 3227069 A1公開(kāi)一種光學(xué)涂層，其適合于高溫并包含由作為具有低折射率的層材料的SiO2和作為具有高折射率的層材料的Ta2O2構(gòu)成的交替層系。該涂層能夠承受高溫并且目的在于提高被涂敷對(duì)象特別是鹵素?zé)舻墓ぷ餍省?br> 與使用TiO2作為具有高折射率的層相比，工作效率的提高和更高的熱穩(wěn)定性確實(shí)可以獲得，但是在高溫范圍內(nèi)使用Ta2O5同樣在層中引起相當(dāng)大的混濁，因此這些涂層不適合于許多應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種涂層，其在高的工作溫度下基本在結(jié)構(gòu)上穩(wěn)定并保持(實(shí)際上)無(wú)混濁。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)權(quán)利要求1-24中所描述的層系來(lái)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的層系包括由包含氧化鈦鋁的金屬氧化物形成的至少一個(gè)層。例如制作層系的特殊光學(xué)設(shè)計(jì)所需的層系的各個(gè)層在下面稱(chēng)作功能層。
由氧化鈦鋁形成的功能層具有比已知的由金屬氧化物形成的功能層顯著更高的熱和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
因?yàn)榘趸佷X的功能層固有地保證高的熱穩(wěn)定性，由另外金屬氧化物形成的中間層的額外間斷有助于使對(duì)象達(dá)到它們能夠更穩(wěn)定化的程度，但主要是用來(lái)進(jìn)一步提高包含氧化鈦鋁的功能層的機(jī)械和光學(xué)性質(zhì)。為了避免來(lái)自中間層的光學(xué)上的不良影響，中間層的厚度或折射率將被選擇，以使該層在光學(xué)上不起作用。除了它們高的熱穩(wěn)定性以外，作為例子，該類(lèi)型的層還具有高亮度，導(dǎo)致所期望的光學(xué)特征值，例如反射率或透射率的提高，以及高的抗劃痕性。
根據(jù)本發(fā)明的另一種層系同樣地包含由金屬氧化物形成的至少一個(gè)功能層，其中包含氧化鈦鋁的至少一個(gè)中間層間斷由不同于中間層的金屬氧化物形成的至少一個(gè)功能層。在這種情況下，中間層的厚度或折射率將被選擇，以使該層在光學(xué)上不起作用。
通過(guò)用包含氧化鈦鋁的中間層來(lái)間斷由金屬氧化物形成的功能層的形態(tài)，同樣地可能獲得由金屬氧化物形成的功能層的所期望的熱和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，用這些中間層的間斷使得由金屬氧化物形成的功能層的機(jī)械和光學(xué)性質(zhì)可以顯著改善。這開(kāi)辟了根據(jù)本發(fā)明的層系的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。
以形成在高的熱負(fù)載下不經(jīng)歷它們結(jié)構(gòu)的任何改變的子層這樣一種方式來(lái)間斷功能層是有利的。例如，其各個(gè)子層保持在50nm厚度以下的由金屬氧化物形成的非晶功能層在高溫作用下不受到任何結(jié)晶化。
本發(fā)明的一個(gè)特別效果是通過(guò)設(shè)置鋁和鈦的數(shù)量比來(lái)設(shè)置包含氧化鈦鋁的層的折射率的可能性。折射率n可以在1.55≤n≤2.50的范圍內(nèi)變化。增加鋁含量將減小層的折射率n。更少量的鋁(例如Al∶Ti大約為1∶3.84；n＝2.34)顯著地提高功能層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。這使得這些層在使用中非常靈活。
設(shè)置包含氧化鈦鋁的層的折射率的能力可以特別有利地用來(lái)使功能層的折射率與中間層的折射率相匹配，反之亦然。因此，由具有在1.55≤n≤2.50范圍內(nèi)的折射率n的金屬氧化物(例如n大約為2.1的氧化鋯或已通過(guò)穩(wěn)定劑材料例如氧化釔等的添加而穩(wěn)定化的穩(wěn)定化氧化鋯)形成的功能層可以用由氧化鈦鋁形成的中間層來(lái)間斷，而不會(huì)在光學(xué)上受其影響。在這種情況下，中間層不再必須具有必須保持在它們會(huì)變得在光學(xué)上起作用的厚度以下的具有不同折射率的中間層的低厚度。類(lèi)似的陳述同樣適用于氧化鈦鋁功能層被金屬氧化物所形成的中間層的間斷。
根據(jù)本發(fā)明的層系可以包括單個(gè)功能層或具有多個(gè)功能層的層系，優(yōu)選地由具有高和低折射率的功能層形成的交替層系。
在這種情況下，交替層系由包含氧化鈦鋁作為具有高折射率功能層的功能層構(gòu)成并且氧化鈦鋁功能層由中間層間斷，或功能層由氧化鈦鋁中間層部分間斷并且由高折射率的金屬氧化物形成同樣是可能的。
在交替層系由具有高和低折射率的功能層形成的根據(jù)本發(fā)明的層系的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，具有高折射率的功能層包含氧化鈦鋁。其優(yōu)選地包含TixAl1-xOy，0＜x＜1，優(yōu)選地0.3＜x＜1，特別有利地0.5＜x＜1。鋁的水平越低，功能層的折射率變得越高。然后低折射率的功能層包含氧化硅，優(yōu)選地二氧化硅。二氧化硅同樣地能夠承受高溫并具有與氧化鈦鋁相比低的折射率。
關(guān)于光學(xué)設(shè)計(jì)，某種層結(jié)構(gòu)按照功能層的順序和厚度來(lái)預(yù)先確定。相應(yīng)的光學(xué)層厚度n*d數(shù)量級(jí)為 (n＝層的折射率； ＝設(shè)計(jì)波長(zhǎng))或更低。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的層系在近紅外和可見(jiàn)區(qū)中的應(yīng)用，功能層的層厚度dF的值則優(yōu)選地為5nm≤dF≤200nm。用于光學(xué)應(yīng)用的該類(lèi)型的層系特別地地適合于在高溫范圍內(nèi)即在超過(guò)600℃的工作溫度下使用。
此外，如果具有高折射率的功能層用具有低折射率的中間層間斷，反之亦然，隔開(kāi)功能層的中間層保持低于它們可能在整個(gè)層系中變得在光學(xué)上起作用的厚度是重要的，尤其對(duì)于光學(xué)層系。于是中間層的合適厚度dz在0.3nm≤dz≤10nm范圍內(nèi)，優(yōu)選地在0.5nm≤dz≤4.0nm范圍內(nèi)，特別適當(dāng)?shù)卦?.0nm≤dz≤2.5nm范圍內(nèi)。中間層的使用和層數(shù)優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)以由功能層形成的子層的厚度dT大約為20nm≤dT≤250nm這樣一種方式來(lái)選擇。因此，待間斷的功能層的合適層厚度為dT＝40nm。
關(guān)于這點(diǎn)，在由具有高折射率和低折射率的功能層形成的交替層系中，對(duì)于工藝工程順序，是否具有高折射率的功能層由具有低折射率的層材料所形成的中間層隔開(kāi)是特別重要的。此外，具有低折射率的功能層由具有高折射率的層材料所形成的中間層間斷是可能的。在這種情況下，不絕對(duì)必須間斷每個(gè)功能層。
但是，中間層具有不同于功能層的折射率不是必需的，而是它必須適合于影響功能層中的結(jié)構(gòu)形成，使得高溫不會(huì)導(dǎo)致涂層的光學(xué)性質(zhì)的任何退化。因此，由例如氧化鈦形成的具有高折射率的功能層由氧化鈦鋁所形成的具有高折射率的中間層隔開(kāi)也是可能的。
化學(xué)汽相沉積工藝，優(yōu)選地等離子體增強(qiáng)型的，特別地PICVD工藝(PICVD＝等離子體脈沖化學(xué)汽相沉積)有利地適合于根據(jù)本發(fā)明的層系的制作。
這些工藝允許層的均勻和精確制備，使它們特別地適合于工業(yè)涂敷工藝。此外，該工藝可以用來(lái)以特別簡(jiǎn)單的方法來(lái)控制鋁含量與鈦含量的比值。
溶膠凝膠工藝同樣有利地適合于涂層的工業(yè)制造。
但是，原則上，根據(jù)本發(fā)明的層系使用PVD工藝(PVD＝物理汽相沉積)，例如蒸發(fā)涂敷、濺射或其他工藝來(lái)制造也是可能的。
主要取決于被涂敷目標(biāo)的應(yīng)用領(lǐng)域，非常廣泛的襯底材料可以使用。對(duì)于在高溫范圍內(nèi)使用，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)乜紤]相關(guān)的熱負(fù)載。合適的襯底材料是金屬、玻璃和玻璃陶瓷以及塑料。
根據(jù)本發(fā)明，層系用于反射器的涂層，特別地用于玻璃陶瓷反射器的涂層。由于涂層的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，這些涂層使可以獲得反射器優(yōu)越的光學(xué)和機(jī)械性質(zhì)，即使在長(zhǎng)時(shí)間和極端的熱負(fù)載下。
此外，根據(jù)本發(fā)明，層系用于照明體，特別是IRC燈/噴燈的涂層。同樣地在這種情況下，由于涂層的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，這些涂層能夠帶來(lái)在長(zhǎng)時(shí)間和極端熱負(fù)載下照明體的優(yōu)越的光學(xué)和機(jī)械性質(zhì)。


本發(fā)明將在下面基于示范實(shí)施方案和附圖來(lái)更詳細(xì)地說(shuō)明，其中圖1顯示用于反射器涂層的根據(jù)本發(fā)明的層系。
圖2顯示在450℃、650℃和750℃的溫度下反射器的反射性質(zhì)。
圖3顯示在650℃和850℃下處理之后具有不同折射率的氧化鈦鋁層的衍射圖。
圖4顯示在圖3中說(shuō)明的氧化鈦鋁層的衍射圖的Al∶Ti數(shù)量比的一覽表。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示用于反射器的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)層系。反射器在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高反射，因此特別地適合于照明用途。由于其在近紅外的高透射，以及因而導(dǎo)致的低的熱反射，它特別適合于溫度密集照明，并且可以例如在數(shù)字投影儀中使用。
層系是交替層系，并且包含43個(gè)功能層。具有低折射率的功能層由SiO2形成，具有高折射率的功能層由TixAl1-xOy形成。
鋁和鈦的數(shù)量比是Al∶Ti＝1∶2.09。在該數(shù)量比下，TixAl1-xOy層具有折射率n＝2.26。精確排列和各個(gè)層厚度在圖1中提供表格中顯示。
各個(gè)功能層通過(guò)PICVD工藝來(lái)制造。通過(guò)該工藝，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠以普通方法控制鋁含量，使得以對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的方式設(shè)置氧化鈦鋁層的折射率是可能的。
以該方法制造的反射器然后暴露于450℃、650℃和750℃的熱負(fù)載下。在這些熱負(fù)載之后，反射器不顯露任何混濁。
圖2顯示在上述不同熱負(fù)載下反射器的反射特征。當(dāng)測(cè)試根據(jù)本發(fā)明的反射器涂層的反射性質(zhì)時(shí)，證明高的工作溫度對(duì)反射性質(zhì)幾乎沒(méi)有任何顯著影響，特別地反射器的反射性質(zhì)在 的期望波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定同樣地是可能的。同時(shí)，反射器在近紅外的高透射被保留。
作為例子描述的并具有根據(jù)本發(fā)明的在結(jié)構(gòu)和熱上穩(wěn)定的涂層的反射器可以在數(shù)字投影儀中使用，但也適合于在高電壓和低電壓技術(shù)中的照明用途，例如在鹵素照明技術(shù)中使用。
此外，根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)層的性質(zhì)被研究。
為了該目的，由石英玻璃制成的襯底通過(guò)PICVD工藝在所有情況下被涂敷上一層具有500nm層厚度的TixAl1-xOy單層(0＜x＜1)。鋁和鈦的不同數(shù)量比例在涂敷過(guò)程中設(shè)置，以便在1.55≤n≤2.50的最小和最大可能值之間改變折射率。在層中設(shè)置的比值通過(guò)EDX來(lái)測(cè)量。相應(yīng)的數(shù)量比可以從測(cè)量的按at％的比例中確定。鈦和鋁的按at％的數(shù)量比例的各個(gè)值，相關(guān)的Ti∶Al的數(shù)量比以及相應(yīng)的折射率在圖4中所提供的一覽表中給出。
鋁含量的增加將減小層的折射率n。
然后，被涂敷的襯底暴露于650℃或850℃的熱負(fù)載下一個(gè)小時(shí)。在650℃和850℃下處理之后的圖3中所說(shuō)明的各個(gè)樣品的X射線檢查顯示在所有情況下只有具有最低鋁含量的n＝2.34的層顯露銳鈦礦的初始形成。但是，更少量的鋁足夠防止在高溫負(fù)載下晶體的形成。與純的二氧化鈦相比，在低溫下非晶層的結(jié)晶化以形成銳鈦礦和在高于600℃的溫度下的再結(jié)晶化以形成金紅石相被抑制。所測(cè)量的層不具有任何混濁現(xiàn)象。
因此，已被涂敷上根據(jù)本發(fā)明的單個(gè)功能層的襯底也可以用于非常廣泛的應(yīng)用，優(yōu)選地高溫范圍內(nèi)，因?yàn)樗鼈儽３衷诮Y(jié)構(gòu)上穩(wěn)定，而沒(méi)有任何混濁，即使在高于600℃的極端熱負(fù)載下。
在IRC燈/噴燈上根據(jù)本發(fā)明的層系的使用代表另一種可能的應(yīng)用例子。該情況下的層系包含由具有高折射率和低折射率的功能層形成的交替層系。這些干涉層系典型地包含多于30個(gè)功能層。
該類(lèi)型燈或噴燈的交替層系的設(shè)計(jì)是眾所周知的。它們使燈所產(chǎn)生的在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光被透射，而同時(shí)產(chǎn)生的IR輻射被反射入發(fā)光體內(nèi)(IRC系＝紅外反射涂層)。
被反射的輻射顯著地有助于達(dá)到發(fā)光體的工作溫度。燈泡或噴燈的溫度可以低于某個(gè)環(huán)境量至高于1000℃。
到目前為止，已知的交替層系僅能夠承受達(dá)到大約600℃的熱負(fù)載，這特別地可歸因于具有高折射率的層的不足的熱穩(wěn)定性。
由氧化鋁鈦形成的具有高折射率的合適功能層和/或金屬氧化物功能層的使用并且中間層在涂層中隔開(kāi)它們，使得增加IRC燈/噴燈的熱穩(wěn)定性至高于600℃成為可能。
權(quán)利要求
1.一種層系，具有至少一個(gè)由金屬氧化物形成的功能層，其中由金屬氧化物形成的至少一個(gè)功能層包含氧化鈦鋁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的層系，其中包含氧化鈦鋁的至少一個(gè)功能層具有至少一個(gè)中間層，其間斷功能層并由不同于功能層的金屬氧化物形成，該中間層在光學(xué)上不起作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的層系，其中中間層保持低于其可能變得在光學(xué)上起作用的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的層系，其中中間層的層厚度dz為0.3-10nm，優(yōu)選地0.5-4nm，特別優(yōu)選地1.0-2.5nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的層系，其中中間層包含氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的層系，其中中間層具有與包含氧化鈦鋁的功能層相同的折射率，使得中間層可以變得在光學(xué)上不起作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的層系，其中中間層包含氧化鋯。
8.一種層系，具有至少一個(gè)由金屬氧化物形成的功能層，其中包含氧化鈦鋁的至少一個(gè)中間層間斷由不同于中間層的金屬氧化物形成的至少一個(gè)功能層，該中間層在光學(xué)上不起作用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的層系，其中包含氧化鈦鋁的中間層保持低于其可能變得在光學(xué)上起作用的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的層系，其中中間層的層厚度dz為0.3-10nm，優(yōu)選地0.5-4nm，特別優(yōu)選地1.0-2.5nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的層系，其中功能層包含氧化硅。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的層系，其中功能層具有與包含氧化鈦鋁的中間層相同的折射率，使得中間層可以變得在光學(xué)上不起作用。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的層系，其中功能層包含氧化鋯。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13的層系，其中包含氧化鈦鋁的層包含TixAl1-xOy，其中0＜x＜1。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的層系，其中包含氧化鈦鋁的層的折射率n可以通過(guò)鈦和鋁的數(shù)量比而設(shè)置于1.55≤n≤2.50。
16.根據(jù)先前權(quán)利要求的任何一個(gè)的層系，其中該層系包含多個(gè)功能層，優(yōu)選地由具有高和低折射率的金屬氧化物的各個(gè)功能層構(gòu)成交替層系。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的層系，其中高折射率的功能層包含氧化鈦鋁。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的層系，其中低折射率的功能層包含氧化硅。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的層系，其中包含氧化鈦鋁的高折射率的功能層由包含氧化硅的低折射率的中間層間斷，和/或包含氧化硅的低折射率的功能層由包含氧化鈦鋁的高折射率的中間層間斷。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-19的層系，其中各層通過(guò)化學(xué)汽相沉積工藝，優(yōu)選地是等離子體增強(qiáng)型的，特別地是通過(guò)脈沖化等離子體增強(qiáng)型CVD工藝來(lái)制造。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-19中一個(gè)的層系，其中各層通過(guò)PVD工藝來(lái)制造。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-19中一個(gè)的層系，其中各層通過(guò)溶膠凝膠工藝來(lái)制造。
23.一種具有包含根據(jù)權(quán)利要求1-22之一的層系的涂層的照明體。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的照明體，它是IRC燈或IRC噴燈。
25.一種具有包含根據(jù)權(quán)利要求1-22之一的層系的涂層的反射器。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的反射器，它是玻璃陶瓷反射器。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有包含氧化鈦鋁的至少一個(gè)層的層系。包含氧化鈦鋁的層可以是被或不被在光學(xué)上不起作用的中間層所間斷的功能層，或者被包含氧化鈦鋁的中間層所間斷的由金屬氧化物形成的功能層。層系在高于600℃的工作溫度下在結(jié)構(gòu)和熱上穩(wěn)定。層系可以僅包含一個(gè)功能層或可以是多層系統(tǒng)，優(yōu)選地由具有高和低折射率的功能層構(gòu)成的交替層系。
文檔編號(hào)C23C14/56GK1681743SQ03821687
公開(kāi)日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2003年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月14日
發(fā)明者克里斯多夫·穆勒, 拉爾斯·貝維格, 弗蘭克·科普, 托馬斯·庫(kù)伯爾, 斯特凡·蓋斯勒, 斯特凡·鮑爾, 于爾根·齊克, 克里斯蒂安·亨 申請(qǐng)人:肖特股份公司